Способ приготовления содового раствора, подаваемого на газоочистные установки корпусов электролиза алюминия

 

Изобретение относится к области пылеулавливания и очистки газов в цветной металлургии, в частности в производстве алюминия, и может быть использовано в процессе приготовления содового раствора, используемого для абсорбции фторсодержащих газов электролиза. Способ приготовления содового раствора, подаваемого на газоочистные установки корпусов электролиза алюминия, включает смешивание маточного раствора кристаллизации криолита, концентрированного содового раствора, технической воды, надшламовой воды, осветленного и неосветленного насыщенных растворов, при котором поддерживают постоянной концентрацию кальцинированной соды и сульфата натрия в содовом растворе путем регулирования объемов надшламовой воды, концентрированного содового раствора и технической воды, определяемых по составленным уравнениям. Заявленное изобретение позволяет обеспечить относительное постоянство концентраций основных компонентов в газоочистных растворах, застабилизировав их содержание в содовом растворе, подаваемом на газоочистку. 1 табл.

Изобретение относится к области пылеулавливания и очистки газов в цветной металлургии, в частности при производстве алюминия, и может быть использовано в процессе приготовления содового раствора, используемого для абсорбции фторсодержащих газов электролиза.

Пылегазовая смесь, эвакуируемая из корпусов электролиза алюминия, содержит углекислый и угарный газы, фтористый водород, диоксид серы, пыль, смолистые вещества и имеет температуру на входе в газоочистные установки 90-180°С. В процессе мокрой очистки газов за счет испарения воды и каплеуноса, а также с выводимым из процесса сгущенным шламом происходят потери раствора, в результате чего возникает необходимость восстановления водного баланса в системе.

Насыщенные растворы с газоочистных установок перерабатываются на регенерационный криолит по фтор-содо-бикарбонатной схеме. Заложенная в основу фтор-содо-бикарбонатного способа регенерация кальцинированной соды в процессе кристаллизации криолита (реакция 1) предопределяет повторное использование маточного раствора для приготовления содового раствора, подаваемого на газоочистные установки.

Для приготовления содового газоочистного раствора к маточному раствору варки криолита, содержащему кальцинированную соду, добавляют недостающее количество оборотной (технической) воды, а для поддержания требуемой концентрации кальцинированной соды в газоочистном растворе, выводимой с NaF и Na₂SО₄, к нему добавляют концентрированный содовый раствор с содержанием Nа₂ СО₃=100-300 г/дм³. Количество содового раствора и воды, добавляемых в маточный раствор, равно сумме потерь растворов и определяется конкретными условиями работы завода.

Расчет концентрации соды в подаче на газоочистку производится по формуле:

где V_мат., V_сод., V_техн. - соответственно объемы маточного раствора, концентрированного содового раствора и технической воды, подаваемые на содоприготовление;

С_мат., С_сод. - соответственно содержание соды в маточном растворе и концентрированном содовом растворе (Типовая технологическая инструкция по производству вторичного криолита, разработанная Иркутским филиалом ВАМИ: ТИ 48-0141-40-01-87, стр.31-32).

Способу присущи следующие недостатки. В приведенном способе для приготовления содового газоочистного раствора используют только три составляющих: маточный раствор, концентрированный содовый раствор, техническую (оборотную) воду. Кроме того, отсутствуют какие-либо рекомендации по стабилизации и регулированию концентраций основных компонентов в растворе, подаваемом на газоочистку. Способ характеризуется низкой эффективностью работы газоочистных установок, а также нестабильностью переработки газоочистных растворов на регенерационный криолит.

Практически на всех алюминиевых заводах, оснащенных установками мокрой очистки газов, эксплуатируются более сложные схемы содоприготовления. Данные схемы включают использование, помимо перечисленных в формуле (2), других составляющих, в частности надшламовой воды, осветленного и неосветленного насыщенных газоочистных растворов. В этом случае при расчете концентрации соды в растворе, подаваемом на газоочистку, в формулу (2) добавляются объемы и концентрации вновь вводимых составляющих.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ приготовления раствора на газоочистку, в котором смешивают маточный раствор кристаллизации криолита, концентрированный содовый раствор, оборотный раствор с газоочистки (неосветленный и осветленный) и оборотную техническую воду (В.Г.Терентьев и др. Производство алюминия, Новокузнецк 2000, с.270-273).

В соответствии со способом, принятым за прототип, концентрацию кальцинированной соды в растворе, подаваемом на газоочистку, поддерживают на уровне 30-50 г/дм³, концентрацию NaF желательно иметь не более 15 г/дм³, концентрацию сульфата натрия - не более 70 г/дм³.

Прототипу присущи недостатки аналога, а именно не достигается стабилизация концентрации кальцинированной соды и сульфата натрия в содовом растворе, подаваемом на газоочистку, единственное, рекомендуется поддерживать концентрацию кальцинированной соды в интервале концентраций 30-50 г/дм³, а концентрацию сульфата натрия - не более 70 г/дм³ без указания конкретных путей достижения цели. В решении не содержится практических рекомендаций по стабилизации и регулированию концентраций кальцинированной соды Nа₂СО₃ и сульфата натрия Na₂ SO₄ в содовых растворах, подаваемых на газоочистку. Следствием этого является неэффективная работа газоочистных установок, а также нестабильная технология производства регенерационного криолита из растворов.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы газоочистных установок и последующей переработки насыщенных газоочистных растворов на регенерационный криолит путем стабилизации концентраций основных компонентов в растворах газоочистки. Поддержание на постоянном уровне концентрации кальцинированной соды и сульфата натрия в подаваемом на газоочистку растворе обеспечит стабилизацию концентраций солей в насыщенном растворе. Это в свою очередь повысит эффективность работы газоочистных установок и последующей переработки растворов на регенерационный криолит.

Поставленная задача достигается тем, что в способе приготовления содового раствора, подаваемого на газоочистные установки корпусов электролиза алюминия, при смешении маточного раствора кристаллизации криолита, концентрированного содового раствора, технической воды, оборотных газоочистных растворов, согласно предлагаемому способу при смешении поддерживают постоянной концентрацию кальцинированной соды и сульфата натрия в содовом растворе путем регулирования объемов надшламовой воды, концентрированного содового раствора и технической воды, определяемых по следующим уравнениям:

где V^надшл - объем надшламовой воды, подаваемой на содоприготовление, м³/ч;

V^под - объем содового раствора, подаваемого на газоочистку, м ³/ч;

- концентрация Na₂SО₄ в содовом растворе, подаваемом на газоочистку, г/дм³;

V^мат - объем маточного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

- концентрация Na₂SО₄ в маточном растворе, г/дм³;

V^осв - объем осветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м ³/ч;

- концентрация Na₂SО₄ в осветленном насыщенном растворе, г/дм³;

V^неосв - объем неосветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м ³/ч;

- концентрация Nа₂SO₄ в неосветленном насыщенном растворе, г/дм³;

- концентрация Na₂SO₄ в надшламовой воде, г/дм³.

где V^сод - объем концентрированного содового раствора на содоприготовление, м³/ч;

V^под - объем содового раствора, подаваемого на газоочистку, м³/ч;

- концентрация Na₂CO₃ в содовом растворе, подаваемом на газоочистку, г/дм³;

V^мат - объем маточного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

- концентрация Na₂CO₃ в маточном растворе, г/дм³;

V^осв - объем осветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м ³/ч;

- концентрация Nа₂СО₃ в осветленном насыщенном растворе, г/дм³;

V^неосв - объем неосветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м ³/ч;

- концентрация Na₂CO₃ в неосветленном насыщенном растворе, г/дм³;

V^надшл - объем надшламовой воды подаваемой на содоприготовление, м³/ч;

- концентрация Na₂CO₃ в надшламовой воде, г/дм³;

- концентрация Nа₂СО₃ в концентрированном содовом растворе, г/дм³.

,

где V^теxн - объем технической воды на содоприготовление, м³/ч;

V^под - объем содового раствора, подаваемого на газоочистку, м ³/ч;

V^мат - объем маточного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

V ^осв - объем осветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

V^неосв - объем неосветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

V^надшл - объем надшламовой воды, подаваемой на содоприготовление, м ³/ч;

V^сод - объем концентрированного содового раствора на содоприготовление, м³/ч;

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критерию “новизна”.

Эффективная работа газоочистных установок, а также последующая переработка насыщенных газоочистных растворов на регенерационный криолит во многом зависит от стабильности концентраций основных компонентов в растворах газоочистки.

Предлагаемый способ приготовления содового раствора по сравнению с прототипом позволяет обеспечить постоянство концентраций основных компонентов в газоочистных растворах, застабилизировав их содержание в содовом растворе, подаваемом на газоочистку. Важнее всего при этом обеспечить постоянство концентраций кальцинированной соды Na₂CO₃ и сульфата натрия Na₂SО₄. Стабилизация концентрации соды обеспечит гарантированное улавливание фтористого водорода HF и сернистого ангидрида SO₂, a также оптимальную остаточную концентрацию соды в насыщенном растворе газоочистки (5-12 г/дм³). Стабилизация содержания сульфата натрия в растворе, подаваемом на газоочистку на минимально возможном уровне, позволит исключить потери фтора за счет локальных пересыщений растворов и выпадения кристаллов двойной соли Na₂SО ₄· NaF, а также повысит эффективность работы газоочистного оборудования.

Предлагаемое техническое решение поясняется конкретным примером его реализации.

Рассмотрим вариант стабилизации и регулирования объема и состава содового раствора, подаваемого на газоочистные установки, по содержанию в нем Na₂CO₃ и Na₂ SО₄. Расчет выполнен для наиболее сложной технологической схемы, когда на приготовление содового раствора подается шесть составляющих растворов (маточный раствор, концентрированный содовый, насыщенный осветленный, насыщенный неосветленный растворы, надшламовая вода и техническая вода).

Предположим, что необходимо стабилизировать концентрацию Na₂CO₃ в растворе, подаваемом на газоочистку, на уровне 20 г/дм³, концентрацию Na ₂SО₄ - на уровне 50 г/дм³ при расходе газоочистного раствора в пределах 500± 50 м ³/ч. Задача заключается в том, чтобы рассчитать количество надшламовой воды, концентрированного содового раствора и технической воды, которое необходимо добавить к имеющимся объемам маточного раствора, осветленного и неосветленного насыщенных растворов, чтобы обеспечить при заданном расходе газоочистного раствора (500± 50 м³/ч) требуемые концентрации Nа ₂СО₃=20 г/дм³ и Na₂SO ₄=50 г/дм³.

В основу алгоритма положен балансовый метод расчета (см. таблицу).

Расчет проводим в 3 этапа.

Шаг 1. Рассчитывается объем надшламовой воды (V_надшл), подаваемой на содоприготовление, по формуле:

где V^под - объем раствора, подаваемого на газоочистку, м³/ч;

- концентрация Na₂SО₄ в растворе, подаваемом на газоочистку, г/дм³;

V^мат - объем маточного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³ /ч;

- концентрация Na₂SO₄ в маточном растворе, г/дм³;

V^осв - объем осветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м ³/ч;

- концентрация Na₂SО₄ в осветленном насыщенном растворе, г/дм³;

V^неосв - объем неосветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м ³/ч;

- концентрация Na₂SО₄ в неосветленном насыщенном растворе, г/дм³;

- концентрация Na₂SО₄ в надшламовой воде, г/дм³.

Подставляя из таблицы в уравнение (3) известные данные, получим:

Шаг 2. Рассчитывается количество концентрированного содового раствора (V^сод), подаваемого на содоприготовление, по формуле:

где V^под - объем содового раствора, подаваемого на газоочистку, м³/ч;

- концентрация Na₂CO₃ в содовом растворе, подаваемом на газоочистку, г/дм³;

V^мат - объем маточного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

- концентрация Na₂CO₃ в маточном растворе, г/дм³;

V^осв - объем осветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м ³/ч;

- концентрация Nа₂СО₃ в осветленном насыщенном растворе, г/дм³;

V^неосв - объем неосветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м ³/ч;

- концентрация Nа₂СО₃ в неосветленном насыщенном растворе, г/дм³;

V^надшл - объем надшламовой воды, подаваемой на содоприготовление, м³/ч;

- концентрация Na₂CO₃ в надшламовой воде, г/дм³;

- концентрация Na₂CО₃ в концентрированном содовом растворе, г/дм³.

Подставляя в уравнение (4) известные величины, получим:

Шаг 3. Объем технической воды (V^техн), подаваемой на содоприготовление, определяется по разнице:

V^техн - объем технической воды на содоприготовление, м³/ч;

V^пoд - объем содового раствора, подаваемого на газоочистку, м³/ч;

V^мат - объем маточного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

V^осв - объем осветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

V^неосв - объем неосветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

V ^надшл. - объем надшламовой воды, подаваемой на содоприготовление, м³/ч;

V^сод - объем концентрированного содового раствора, подаваемого на содоприготовление, м³ /ч;

В нашем примере: V^техн.=500-150-180-30-71,6-10,62=57,78 м³/ч.

При количестве составляющих содового раствора менее 6 трансформировать рассмотренную схему в более простые не представит особого труда. В этом случае в расчетные формулы (3-5) вместо объемов и концентраций отсутствующих составляющих подставляются нулевые значения.

Описанный способ может быть использован для стабилизации и регулирования состава и объема содового раствора как в ручном, так и в автоматическом режимах. Для реализации предложенного технического решения необходимо, чтобы аппаратурно-технологическая схема цеха или отделения регенерации была оборудована средствами контроля и управления (расходомеры, электрозадвижки, датчики уровня, дозаторы растворов и т.д.), связанными в единую систему с помощью средств автоматизации.

Опытно-промышленные испытания предлагаемого технического решения подтвердили принципиальную возможность реализации технологии регулирования и стабилизации состава раствора с высокими технико-экономическими показателями.

Формула изобретения

Способ приготовления содового раствора, подаваемого на газоочистные установки корпусов электролиза алюминия, включающий смешение маточного раствора кристаллизации криолита, концентрированного содового раствора, технической воды и оборотных газоочистных растворов, отличающийся тем, что при смешении растворов поддерживают постоянной концентрацию кальцинированной соды и сульфата натрия в содовом растворе путем регулирования объемов надшламовой воды, концентрированного содового раствора и технической воды, определяемых по следующим уравнениям:

где V^надшл - объем надшламовой воды, подаваемой на содоприготовление, м³/ч;

V^под - объем содового раствора, подаваемого на газоочистку, м ³/ч;

- концентрация Na₂SО₄ в содовом растворе, подаваемом на газоочистку, г/дм³;

V^мат - объем маточного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

- концентрация Na₂SО₄ в маточном растворе, г/дм³;

V^осв - объем осветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м ³/ч;

- концентрация Na₂SО₄ в осветленном насыщенном растворе, г/дм³;

V^неосв - объем неосветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м ³/ч;

- концентрация Na₂SО₄ в неосветленном насыщенном растворе, г/дм³;

- концентрация Na₂SО₄ в надшламовой воде, г/дм³;

где V^сод - объем концентрированного содового раствора на содоприготовление, м³/ч;

V^под - объем содового раствора, подаваемого на газоочистку, м³/ч;

- концентрация Na₂CО₃ в содовом растворе, подаваемом на газоочистку, г/дм³;

V^мат - объем маточного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

- концентрация Na₂CO₃ в маточном растворе, г/дм³;

V^осв - объем осветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м ³/ч;

- концентрация Na₂CO₃ в осветленном насыщенном растворе, г/дм³;

V^неосв - объем неосветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м ³/ч;

- концентрация Na₂CO₃ в неосветленном насыщенном растворе, г/дм³;

V^надшл - объем надшламовой воды, подаваемой на содоприготовление, м ³/ч;

- концентрация Nа₂СО₃ в надшламовой воде, г/дм³;

- концентрация Na₂CO₃ в концентрированном содовом растворе, г/дм³,

где V^техн - объем технической воды на содоприготовление, м³/ч;

V^под - объем содового раствора, подаваемого на газоочистку, м³/ч;

V^мат - объем маточного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

V^осв - объем осветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

V^неосв - объем неосветленного насыщенного раствора, подаваемого на содоприготовление, м³/ч;

V ^надшл - объем надшламовой воды, подаваемой на содоприготовление, м³/час;

V^сод - объем концентрированного содового раствора на содоприготовление, м³/ч.